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1、 现代设计方法在机械系统设计中的应用 课程信息： 机械系统设计 院部： 机械工程学院 指导老师： 邬昌峰 班级： 机制1045班 学号： 201010614339 姓名： 何淑通 论文完成时间: 2013年6月9日教师评阅：评阅教师： 评阅时间： 现代设计方法在机械系统设计中的应用何淑通1（1.河南工程学院 机械工程学院 河南 新郑451150）摘要：本文第一部分，对现在机械设计方法做了概述，又分别对主要设计方法：并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、反求设计等一一作了介绍；第二部分分别介绍了优化设计、计算机辅助设计、模块化设计在机械系统
2、中的应用实例：齿轮变位系数的优化选择、基于有限元法的加工中心立柱结构静、动态设计、超精密机床模块化设计；第三部分对现在设计方法在机械系统设计中的应用中起的作用作了很高的评价，进而又展望了一下现在设计方法发展和未来。关键字：现在设计方法、机械系统设计、有限元、模块化设计、反求设计Modern Design Methods In The Application Of The Mechanical System DesignShu-Tong He1(1. school of mechanical engineering, henan college of engineering in mechani
3、cal engineering college, Xinzheng, henan 451150,china)Abstract: The first part of this article, makes a brief introduction to the mechanical design methods do now, respectively and the major design methods: concurrent design, virtual design, green design, reliability design, intelligent optimization
4、 design, computer aided design, dynamic design, modular design and reverse design are introduced one by one; Respectively in the second part introduces the optimum design, computer aided design and application of modular design in mechanical system, gear modification coefficient optimization selecti
5、on, based on the static and dynamic finite element method of machining center pillar structure design, the ultra precision machine tool modular design; Part 3 for now design method in machinery system design in the application of the role of a very high evaluation, and look forward to the present de
6、sign method for the development and the future.Key words：Now design method, mechanical system design, finite element, modular design and reverse design1、引言：现在机械设计方法：现在设计方法是应用科学的思想和方法创造出性能先进、结构合理的产品，变被动地重复分析产品的性能为主动地设计产品参数的过程，把静态的、经验的、手工的方法转变为科学的、动态的、计算机化的方法。现在设计方法是新兴的综合性、交叉性学科。11.1现代设计方法列举:并行设计、虚拟设计
7、、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、反求设计等。下面一一解释之：a、并行设计：并行设计(CD，ConcurrentDesign)是一种对产品及其相关过程(设计、制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。b、虚拟设计(hypothesized design)：在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。c、绿色设计：绿色设计（GreenDesign）是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设
8、计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。d、可靠性设计(reliability design)：保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。e、智能优化设计(Intelligent optimization design)：智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。f、计算机辅助设计(CAD computer-aided design)：机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台
9、上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。g、动态设计(dynamic design)：动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。h、模块化设计(MD modular design)：结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。1i、反
10、求设计(Reverse design)：也称逆向设计，是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAECAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。1.2：现代设计方法的特点2a、程式性：研究设计的全过程，要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计到试验、试制进行全面考虑，按步骤有计划地进行设计。b、创造性：突出人的创造性，力求探寻更多新方案，开发创新性产品。c、最优化：设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的最优产品。d、综合性：建立在系统工程和创造工程基础上，综合运
11、用信息论、优化论、相似论、决策论、预测论等相关理论，提供多种途径解决产品的设计问题。计算机化。2、主要现在设计方法在机械系统设计中的应用分述2.1：优化设计在机械系统设计中的应用实例齿轮变位系数的优化选择32.1.1：已知两齿轮的齿数z1=20、z2=100；法面参数mn=1mm，n=20，h*an=1， c*n=0.25；两齿轮的螺旋角1=2=0，中心距a=61.135mm，许用齿顶厚sa=0.25m，许用重合度=1.2。硬齿面闭式齿轮传动中两齿轮变位系数xt1、 xt2 ，是确定齿轮变位系数。2.1.2：数学模型 通过适当分配两齿轮的变位系数，使两齿轮齿形系数相等，以获得最佳的弯曲强度。优
12、a、化目标为：b、已知条件： 刀具圆角半径系数 2.1.3：齿根无根切限制条件2.1.4：重合度限制条件:2.1.5：齿顶厚限制条件2.1.6：齿根过度曲线干涉限制条件2.1.7：优化方法与优化结果采用混合罚函数法并采用鲍威尔法，初始点取，求得：:2.2：计算机辅助设计在机械系统设计中的应用实例基于有限元法的加工中心立柱结构静、动态设计42.2.1、粒柱是加工中心重要结构部件之一,其结构特性对加工中心的性能影响很大。主要体现在加工精度、抗振性、切削效率、使用寿命等方面。由于立柱结构形状较复杂,采用一般方法对其进行静、动态特性计算比较困难,甚至不可能5。因此，考虑多方面的因素，有限元分析法就非常
13、的精确、合理、科学。 2.2.2、立柱的结构形式多样,现以龙门式加工中心为例,其结构示意图如图1所示,立柱受力及所受约束情况如图2所示。 图1 加工中心示意图 图2 立柱受力及约束情况2.2.3、建立有限元模型：立柱的基本结构为板结构,主要为外板和内部肋板。因此可采用板单元建立模型。内部肋板采用横纵交错的结构,且分布清砂孔。并考虑立柱上方部件的重量等因素，分为A、B、C三种情况见表1；模型图如图3所示：- 1 - 表1 立柱各方向柔度和重量 图3 立柱模型2.2.4、静力分析： 各结构的变形情况类似,图4图8给出立柱的各方向变形图以及综合变形图。 图4 X向变形图 图5 Z向变形图 图6 Y向
14、变形图 图7 综合向变形图 图8 各结构各方向柔度曲线2.2.5、模态分析：a、 自由状态下的模态分析：A结构的固有频率较低,主要是因为外壁上的肋板彼此无联接,立柱中空无支撑结构。B结构内部有圆筒肋与外板相连,其固有频率有所提高。C结构在内部肋板构形上比B结构的外板间联系更紧密,其固有频率进一步增大。b、 约束状态下的模态分析：约束下各结构的同阶振型相同,各结构低阶频率相差不大,但B结构的低阶频率比其余两种结构的低阶频率高,说明圆筒结构具有良好的抗摆动性能。高阶频率中B和C结构的频率都较高。2.2.6、结论：立柱在约束状态下其固有频率和振型与无约束状态相比均发生了较大变化。约束下的低阶频率明显降低,低阶振型由无约束状态下的弯曲振型变为以约束面为支点的摆动 2.3：模块化设计设计方法在机械系统设计中的应用实例 超精密机床模块化设计6超精密机床模块化设计模型图： 低成本、快速、高可靠性超精密机床模块化设计
